JP2008079476A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源電圧等が変動しても所望の出力電圧を常時安定して精度良く得ることができるようにする。とくに電源電圧等の急変動の際に生じる１周期分の変動を補正により直ちに抑えることが可能なインバータ装置を提供する。
【解決手段】複数対のスイッチング素子を用い、直流電圧を、パルス列状の複数相の疑似交流電圧に変換して出力し、該インバータ回路の各相の疑似交流電圧をＰＷＭ発生器によるパルス変調により制御して電力供給先（例えば、モータ）に印加するインバータ装置において、各相における疑似交流電圧の今回実際に印加された電圧値を検出し、検出電圧値と今回印加したかった電圧値との差を計算し、該差を用いて今回印加したかった電圧値を補正する。該目標電圧値と上記検出電圧値とから次回の出力デューティを算出することを特徴とするインバータ装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、インバータ装置に関し、とくに、自動車用の直流電源の直流電圧を複数のスイッチング素子を用いてパルス列状の疑似交流電圧に変換するに際し、電源電圧が変動しても出力電圧が変動しないようにインバータ回路からの出力を安定させる場合に好適なインバータ装置に関する。

たとえば自動車には直流電源（バッテリー）が搭載され、該直流電源の直流電圧が各種動力や制御用に使用される。そして、この直流電源の直流電圧は、複数のスイッチング素子を有するインバータ回路を用いて、パルス列状の疑似交流電圧に変換され、たとえば、車両用空調装置における圧縮機駆動用モータ（たとえば、電動圧縮機のブラシレスモータ等）や、他のモータ（たとえば、リラクタンスモータや誘導モータ）あるいは変圧器等への出力電圧としても使用される。

車両用空調装置に使用される圧縮機（冷媒圧縮機）には、エンジンの回転力のみをその駆動動力源とするものもあるが、電動圧縮機やハイブリッド圧縮機においては、通常、ブラシレスモータ内蔵の圧縮機が用いられている。このブラシレスモータは、インバータ回路により変換されたパルス列状の疑似交流電圧によって駆動され、その回転速度は、上記疑似交流電圧のデューティ比を変えて供給実効電圧を変化させる方法、すなわちＰＷＭ（パルス幅変調）により制御されている。

ところが、車両に搭載されたバッテリー等の直流電源は、電気的負荷との関係において電圧変動を生じやすく、たとえば、走行用モータを備えた電気自動車やハイブリッドカー等の車両では、加速時に走行用モータに大きな負荷電流が流れるため直流電源電圧が急激に下降し、逆に減速時には走行用モータからの回生電流によって直流電源電圧が急激に上昇する現象を生じる。また、通常のエンジン駆動の車両においても、直流電源の電力が多量に消費されると、直流電源電圧が急激に下降することもある。

このような直流電源電圧の変動が生じると、それに比例して出力電圧が変動する。たとえば上記のようなブラシレスモータを駆動する場合、この電圧変動に伴って、モータ回転数が急加速や急減速してしまうことがある。また、減速時等に過電流が流れるなどして、最悪の場合には保護回路が働いてモータが停止してしまう。

このような問題に対処するために、特許文献１には、直流電源電圧を検出し、その検出電圧値に応じてデューティを変化させる技術が開示されている。また、特許文献２には、インバータ回路からモータへの出力電圧を検出し、検出した電圧値によってデューティを変化させる技術が開示されている。
特許３０８４９４１号公報 特開２００５−５７９７４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の方法で制御する場合、所望の出力を常時安定して精度良く得ることが困難になることがある。すなわち、上記制御では、直流電源電圧の変動を認識してからデューティを補正するまでに制御装置の処理速度等に依存する時間遅れが生じ、そのためデューティを迅速かつ適切に補正できない場合が生じて、結果的にブラシレスモータに回転数変動、過電流、トルク不足等の不具合が生じるおそれがある。また、検出する電源電圧はモータ端子に印加できる電圧ではないことから、インバータ回路におけるスイッチング素子の電圧降下分を考慮できず、その影響で、３相Ｌｏ時の電圧がどの程度印加されているか分からないという問題とともに、制御精度が悪化するという問題もある。

また、上記特許文献２に記載の方法で制御する場合、モータへの出力側で１相の電圧しか検出しない場合には、残り２相にどの程度の電圧が検出されているか分からなず、その分制御精度が悪化するおそれがある。また、３相分の電圧全てを検出しようとすると、検出処理を３相分行わなければならず、電圧の検出の処理量が増大してしまうという問題がある。また、そのための回路、制御ともに複雑化するという問題もある。

さらに、電源電圧等が急激に変動した場合には、例えば図４に示すように、１周期分の変動が生じるが（図４は、１周期分だけ余分な電圧が印加されて電流が増大した場合を示している）、上記特許文献１、２のいずれにも、このような１周期分のずれを補正する手段については記載、示唆されていない。このような１周期分のずれは、モータやインバータをぎりぎりの領域で使用する場合、例えば、モータを高速回転制御する場合に、制御精度に悪影響を与えることとなる。したがって、より高精度の制御を要求する場合には、このような１周期分のずれを極力補正することが望まれる。

そこで本発明の課題は、複数のスイッチング素子を備えたインバータ回路を用いて直流電源電圧をパルス列状の疑似交流電圧に変換するに際し、電源電圧等が変動しても所望の出力電圧を常時安定して精度良く得ることができるようにするとともに、その制御を簡素な回路構成にて容易にかつ確実に行うことができるようにし、とくに上述のような電源電圧等の急変動の際に生じる１周期分の変動を補正により直ちに抑えることが可能なインバータ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るインバータ装置は、一対のスイッチング素子を直列に接続した素子組を、直流電源に対し、複数組並列に接続して、前記直流電源の直流電圧を、パルス列状の複数相の疑似交流電圧に変換して出力するインバータ回路を構成し、該インバータ回路に、各相の前記疑似交流電圧をパルス変調により調整可能なＰＷＭ発生器を含む出力制御回路を接続し、前記インバータ回路からの出力電圧を、電力供給先に印加するインバータ装置において、各相における前記疑似交流電圧の今回実際に印加された電圧値を検出し、該今回実際に印加された検出電圧値と今回印加したかった電圧値との差を計算し、該差を用いて今回印加したかった電圧値を補正することにより次回印加したい電圧値としての目標電圧値を算出し、該目標電圧値と前記検出電圧値とから次回のインバータ回路からの出力を制御するための出力デューティを算出し、算出された出力デューティにより前記ＰＷＭ発生器を介してインバータ回路からの出力電圧を制御することを特徴とするものからなる。

すなわち、本発明に係るインバータ装置では、今回実際に印加された検出電圧値と今回印加したかった電圧値との差、つまり図４に示したような１周期分の変動を生じさせた変動分が、直後の次の周期のための出力デューティの算出に迅速にフィードバックされ、複数の周期が連なった結果として現れる、電力供給先に印加される電圧に、急激な変動が生じないように補正制御される。その結果、インバータ回路から電力供給先に印加される出力電圧が、より高精度に、かつより安定して、目標とする電圧に制御される。

この本発明に係るインバータ装置においては、上記今回実際に印加された電圧値を、各相すべてがＨｉの期間中に検出し、次回の各相の出力デューティを次式に基づき算出することが好ましい。それによって、次のタイミングのＨｉ時に極めて迅速に検出結果をフィードバックでき、制御精度が向上される。各相の出力デューティは次式に基づく演算により可変制御すればよい。
出力デューティ＝目標電圧値／検出電圧値（Ｈｉ）
ここで、出力Ｈｉの状態とは前記パルス列状の疑似交流電圧が最高電圧値を示している状態である。

また、より制御精度を上げるためには、さらにＬｏ時の出力も検出することが好ましい。すなわち、さらに、今回実際に印加された電圧値を、各相すべてがＬｏの期間中にも検出し、次回の各相の出力デューティを次式に基づき算出することが好ましい。
出力デューティ＝目標電圧値／（検出電圧値（Ｈｉ）−検出電圧値（Ｌｏ））
ここで、出力Ｌｏの状態とは前記パルス列状の疑似交流電圧が最低電圧値を示している状態である。

また、本発明に係るインバータ装置においては、上記今回実際に印加された電圧値の検出は、適切な任意の方法によって検出すればよく、たとえば、前述の特許文献２に記載されているような方法により、インバータ回路からの各相の出力電圧を検出するようにすればよい。あるいは、電源電圧を検出し、それを今回実際に印加された電圧値と同等のものとみなして制御に用いることも可能である。しかし、電源電圧の検出ではなく、かつ、インバータ回路からの出力電圧を検出する場合にも各相毎の検出ではなく、各相の平均出力電圧として検出できれば、上記１周期分の補正制御を達成しつつ、前述の特許文献１における制御精度悪化等の問題を解消できると同時に、制御精度を上げるためには各相毎に出力電圧を検出する必要にあった前述の特許文献２における回路、制御の複雑化等の問題も解消可能となる。つまり、簡単な構成でありながら、精度のよい所望の制御が可能になり、かつ前述の迅速なフィードバック制御が可能になる。

このような制御を可能とするために、本発明においては、好ましい形態として、上記今回実際に印加された電圧値を、上記電力供給先への出力電圧の各相の平均電圧として、インバータ回路と電力供給先との間に設けた電圧検出回路における各相を接続した共通点での電圧を検出することにより、電力供給先における中性点電圧に対応する仮想中性点電圧として検出する構成が挙げられる。

すなわち、この構成では、電源電圧ではなく、インバータ回路から実際に出力されている電圧が検出されるが、各相毎に検出されるのではなく、各相の平均出力電圧として検出され、それが、電力供給先における中性点電圧に対応する仮想中性点電圧として検出される。したがって、電源電圧を検出していた前述の特許文献１における制御精度悪化等の問題が解消されるとともに、制御精度を上げるためには各相毎に出力電圧を検出する必要にあった前述の特許文献２における回路、制御の複雑化等の問題も同時に解消され、簡単な構成でありながら、精度のよい制御が可能になり、かつ迅速なフィードバック制御が可能になる。

このような構成においては、インバータ回路からの出力が各相すべてがＨｉの期間中に仮想中性点電圧（Ｈｉ）を検出することが好ましい。それによって、次のタイミングのＨｉ時に極めて迅速に検出結果をフィードバックでき、制御精度が向上される。各相の出力デューティは次式に基づく演算により可変制御すればよい。
出力デューティ＝目標出力電圧／検出仮想中性点電圧（Ｈｉ）

また、より制御精度を上げるためには、Ｌｏ時の出力も検出することが好ましい。すなわち、さらに、インバータ回路からの出力が各相すべてがＬｏの期間中に仮想中性点電圧（Ｌｏ）を検出し、各相の出力デューティを次式に基づく演算により可変制御するようにすることが好ましい。
出力デューティ＝目標出力電圧／（検出仮想中性点電圧（Ｈｉ）−検出仮想中性点電圧（Ｌｏ））

本発明において、前記電力供給先はとくに限定されず、インバータ回路からの出力を使用する電気機器でありさえすればよいが、とくに、電力供給先が回転数制御が要求されるモータである場合に、出力電圧の高精度制御により回転数を高精度に制御できることから、本発明はとくに好適なものである。

中でも、上記モータが圧縮機駆動用モータである場合、とくに車両用空調装置の冷媒回路中に設けられる圧縮機の駆動用モータである場合に、本発明はとくに好適なものである。このような圧縮機の駆動用モータにおいては、モータが圧縮機内に組み込まれて、モータが冷媒に曝されることになる場合が多く、モータ自体の中性点電圧を検出できないことが多い。しかし、このようにモータ自体の中性点電圧を検出できない場合にあっても、前述のように仮想中性点電圧を検出する構成を採用することにより、その仮想中性点電圧を実際の平均出力電圧として検出することが可能になり、各相すべての出力電圧を検出することなく、制御に必要な実際の出力電圧を簡便にかつ精度よく検出できるようになって、それを各相の出力デューティ制御に用いることができるようになる。

このように本発明に係るインバータ装置によれば、電源電圧等に急変動が生じても、その際に生じる１周期分の変動を補正により直ちに抑えることが可能になり、電力供給先への出力電圧に急激な変動が生じることを極めて迅速かつ適切に抑え、安定して所望の出力電圧が得られるように制御することが可能になる。

また、実際に出力している電圧を仮想中性点電圧として検出し、それに基づいて各相の出力デューティを演算され、その演算された出力デューティとなるように、ＰＷＭ制御を行う構成を採用することにより、スイッチング素子のパワー素子等の電圧降下や電源電圧の変動によらず、目標とする所望の出力電圧をより安定して得ることが可能になる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係るインバータ装置を示しており、とくに電力供給先としての３相モータ（たとえば、車両用空調装置における圧縮機に内蔵される３相ブラシレスモータ）へパルス列状の疑似交流電圧を出力するモータ駆動電源回路として構成した場合を示している。さらに、出力電圧の検出を仮想中性点電圧の検出によって行う構成を採用した場合を例示している。ただし、この検出には、前述したように、従来方法により各相の出力電圧を検出する方法、さらには電源電圧を検出する方法も採用可能である。図１において、１はインバータ装置を示しており、該インバータ装置１には、一対のスイッチング素子（２ａおよび２ｂ、２ｃおよび２ｄ、２ｅおよび２ｆ）を直列に接続した素子組を、直流電源３（たとえば、バッテリー）に対し、複数組（本実施態様では、３組）並列に接続して、直流電源３の直流電圧をパルス列状の疑似交流電圧に変換して出力するインバータ回路４が構成されている。インバータ回路４には、上記疑似交流電圧をパルス変調により調整可能なＰＷＭ発生器５を含む出力制御回路としてのモータ３相出力制御回路６が接続されている。インバータ回路４からの３相の各出力相Ｕ、Ｖ、Ｗは、モータ７（たとえば３相ブラシレスモータ、ただし、疑似交流電圧印加により駆動できる他のあらゆるモータも可能である。）の対応する極へと接続され、所定の電圧が印加されてモータ７が所定の回転数で駆動されるようになっている。モータ７へは、パルス列状の疑似交流電圧が出力され、このパルス列状の疑似交流電圧の平均電圧が、モータ７に印加される実効電圧となり、モータ７は、その実効電圧に対応する回転数で回転駆動される。

インバータ回路４とモータ７との間には、モータ７への出力電圧の各相の平均電圧を検出する電圧検出回路８が設けられている。この電圧検出回路８は、抵抗分割により電圧が検出可能に構成されているが、接地に至る前に、各相から引き出した回路が一つにまとめられて接続された共通点に形成され、この共通点が、モータ７内における中性点に対応する仮想中性点９とされて、そこで、モータ７における中性点電圧に対応する仮想中性点電圧が検出できるように構成されている。この仮想中性点９で検出された仮想中性点電圧が、後述の演算を行う演算装置１０に送られ、補正量（差分）が演算されて、この補正量を用いて演算された値が、ＰＷＭ発生器６による各相の出力デューティの制御に用いられるようになっている。これにより、インバータ回路４からの各相の出力電圧が、電源電圧等が急変動した場合にあっても、その急変動による影響を抑え、所望の出力電圧が安定して得られるように制御される。

今回実際に出力された電圧が、本実施態様では、仮想中性点電圧として、例えば、図２に示すようなタイミングで検出される。
図２においては、今回実際に出力された電圧としての仮想中性点電圧（Ｈｉ）が、インバータ回路４からの３相のＵ、Ｖ、Ｗ出力相すべてがＨｉの期間中に検出されるようになっている。また、図示例では、仮想中性点電圧（Ｌｏ）も、インバータ回路４からの３相のＵ、Ｖ、Ｗ出力相すべてがＬｏの期間中に検出されるようになっている。このようなタイミングで検出すると、次の（直後の）タイミングでの出力デューティの制御にフィードバックすることが可能になり、迅速かつ高精度の制御が可能になる。

図２と、図３に示す制御フローとを参照して説明する。
まず、今回実際にどの程度の電圧が出力されたかを検出し、その電圧値Ｖｃを検出する（本実施態様では仮想中性点電圧であるが、前述の如く、電源電圧や３相各相の検出も可能）。そして、演算装置１０により、次回の出力デューティが次のように演算される。上記のタイミングで印加したかった電圧値Ｖｔａｒｇと、上記検出の結果である、今回実際に印加された電圧値Ｖｃとの差ΔＶを計算する。この差ΔＶを用いて、次回印加したい電圧値Ｖ’ｔａｒｇ（次回印加したい電圧値としての目標電圧値）が、次式により演算される（この場合、図３に示すように、次式の演算のために、モータ制御部分よりＶｔａｒｇを取得してもよい）。
Ｖ’ｔａｒｇ＝Ｖｔａｒｇ＋ΔＶ
そして、算出されたＶ’ｔａｒｇを用いて、そのＶ’ｔａｒｇを達成できるように、次回の出力デューティ（ＤＵＴＹ）が次式により演算される。
出力ＤＵＴＹ＝Ｖ’ｔａｒｇ／Ｖｃ
上記ΔＶの算出とＶ’ｔａｒｇの演算が本発明のポイントである。

上記のように演算された次回の出力デューティが、図２に示すように直後のタイミングの制御に直ちにフィードバックされる。したがって、電源電圧等が急変動により図４に示したような１周期分の変動が生じた場合にあっても、その直後にその１周期分の変動を打ち消すように出力デューティが制御されるので、実際にモータ７に出力される電圧としては、変動のない安定したものとなる。その結果、安定して所望の出力電圧に制御されることとなる。

また、上記実施態様に係るインバータ装置１では、次のような作用効果も得られる。すなわち、電源電圧ではなく、インバータ回路４から実際に出力されている電圧が検出され、かつ、各相毎に検出されるのではなく、各相の平均出力電圧として検出され、それが、モータ７における中性点電圧に対応する仮想中性点電圧として検出される。電源側の電圧ではなく実際に出力されている電圧が検出されるので制御精度が向上され、各相毎に出力電圧を検出する必要がないので回路構成、制御ともに簡素である。各相すべての平均電圧としての仮想中性点電圧を用いて出力デューティの演算、制御が行われ、それを介してモータ７の実効電圧を精度良く制御することが可能になって、その回転数制御の精度も向上される。

上記実施態様は、主として３相ブラシレスモータの電圧印加回路に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、直流電源からの直流電圧をパルス列状の疑似交流電圧に変換するあらゆるインバータ装置に適用でき、とくに、直流電源電圧に変動が生じやすい車両用空調装置における圧縮機駆動用モータへの電圧印加回路に適用して最適なものである。

本発明の一実施態様に係るインバータ装置の概略構成図である。 図１のインバータ装置における電圧検出、出力のタイミング例を示す説明図である。 図１のインバータ装置における制御の一例を示すフロー図である。 電源電圧が急変動した場合の１周期分の変動の例を示す１相（例えば、Ｕ相）の電流特性図である。

符号の説明

１ インバータ装置
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ スイッチング素子
３ 直流電源
４ インバータ回路
５ ＰＷＭ発生器
６ モータ３相出力制御回路
７ 電力供給先としてのモータ
８ 電圧検出回路
９ 仮想中性点
１０ 演算装置

Claims (9)

1. 一対のスイッチング素子を直列に接続した素子組を、直流電源に対し、複数組並列に接続して、前記直流電源の直流電圧を、パルス列状の複数相の疑似交流電圧に変換して出力するインバータ回路を構成し、該インバータ回路に、各相の前記疑似交流電圧をパルス変調により調整可能なＰＷＭ発生器を含む出力制御回路を接続し、前記インバータ回路からの出力電圧を、電力供給先に印加するインバータ装置において、各相における前記疑似交流電圧の今回実際に印加された電圧値を検出し、該今回実際に印加された検出電圧値と今回印加したかった電圧値との差を計算し、該差を用いて今回印加したかった電圧値を補正することにより次回印加したい電圧値としての目標電圧値を算出し、該目標電圧値と前記検出電圧値とから次回のインバータ回路からの出力を制御するための出力デューティを算出し、算出された出力デューティにより前記ＰＷＭ発生器を介してインバータ回路からの出力電圧を制御することを特徴とするインバータ装置。
2. 前記今回実際に印加された電圧値を、各相すべてがＨｉの期間中に検出し、次回の各相の出力デューティを次式に基づき算出する、請求項１に記載のインバータ装置。
   出力デューティ＝目標電圧値／検出電圧値（Ｈｉ）
   ここで、出力Ｈｉの状態とは前記パルス列状の疑似交流電圧が最高電圧値を示している状態である。
3. さらに、前記今回実際に印加された電圧値を、各相すべてがＬｏの期間中にも検出し、次回の各相の出力デューティを次式に基づき算出する、請求項２に記載のインバータ装置。
   出力デューティ＝目標電圧値／（検出電圧値（Ｈｉ）−検出電圧値（Ｌｏ））
   ここで、出力Ｌｏの状態とは前記パルス列状の疑似交流電圧が最低電圧値を示している状態である。
4. 前記今回実際に印加された電圧値を、前記電力供給先への出力電圧の各相の平均電圧として、インバータ回路と電力供給先との間に設けた電圧検出回路における各相を接続した共通点での電圧を検出することにより、前記電力供給先における中性点電圧に対応する仮想中性点電圧として検出する、請求項１〜３のいずれかに記載のインバータ装置。
5. インバータ回路からの出力が各相すべてがＨｉの期間中に仮想中性点電圧（Ｈｉ）を検出し、各相の出力デューティを次式に基づき算出する、請求項４に記載のインバータ装置。
   出力デューティ＝目標電圧値／検出仮想中性点電圧（Ｈｉ）
6. さらに、インバータ回路からの出力が各相すべてがＬｏの期間中にも仮想中性点電圧（Ｌｏ）を検出し、各相の出力デューティを次式に基づき算出する、請求項５に記載のインバータ装置。
   出力デューティ＝目標電圧値／（検出仮想中性点電圧（Ｈｉ）−検出仮想中性点電圧（Ｌｏ））
7. 前記電力供給先がモータである、請求項１〜６のいずれかに記載のインバータ装置。
8. 前記モータが圧縮機駆動用モータである、請求項７に記載のインバータ装置。
9. 前記モータが、車両用空調装置の冷媒回路中に設けられる圧縮機の駆動用モータである、請求項８に記載のインバータ装置。

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